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        含異物擊打傷高速動(dòng)車(chē)組車(chē)軸疲勞壽命預(yù)測(cè)

        2021-04-10 08:38:26
        中國(guó)鐵道科學(xué) 2021年2期
        關(guān)鍵詞:車(chē)軸壽命沖擊

        (中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所,北京 100081)

        車(chē)軸是高速動(dòng)車(chē)組的關(guān)鍵部件。車(chē)軸斷裂極有可能造成動(dòng)車(chē)組脫軌,導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。根據(jù)歐洲鐵路管理局(ERA)鐵路安全性能報(bào)告的統(tǒng)計(jì),平均約每5 000 萬(wàn)km 運(yùn)營(yíng)里程發(fā)生1次斷軸事故。斷軸事故調(diào)查分析表明,高周疲勞是車(chē)軸的主要失效模式[1],且以車(chē)軸表面缺陷導(dǎo)致的疲勞最為常見(jiàn)。動(dòng)車(chē)組高速運(yùn)行時(shí)異物很有可能高速?zèng)_擊車(chē)軸,形成外物損傷缺陷(Foreign Object Damage,F(xiàn)OD)。FOD周?chē)臍堄鄳?yīng)力場(chǎng)對(duì)短疲勞裂紋擴(kuò)展有顯著影響[2-4]。部分學(xué)者分析了高鐵車(chē)軸表面典型缺陷的表征方法和疲勞特性,研究缺陷大小等參數(shù)對(duì)車(chē)軸疲勞性能和疲勞壽命的影響規(guī)律[5-6]。部分學(xué)者從斷裂力學(xué)或損傷的角度評(píng)估了車(chē)軸的疲勞強(qiáng)度和損傷容限[7-11],表明小于臨界尺寸的表面缺陷對(duì)25CrMo4 車(chē)軸或EA4T 車(chē)軸的疲勞強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響。但也有研究表明,超過(guò)臨界尺寸的表面缺陷將導(dǎo)致車(chē)軸在低于疲勞極限的載荷作用下斷裂[12-13]。疲勞損傷是與時(shí)間正相關(guān)的塑性應(yīng)變高度局部化損傷,基于此理念提出損傷過(guò)程區(qū)(Damage Process Zone,DPZ)的概念[14],認(rèn)為疲勞損傷局限在DPZ 中。可引入疲勞指示參數(shù)(Fatigue Indicator Paramter,F(xiàn)IP)[15]表征累積損傷的程度,進(jìn)而建立FIP與疲勞壽命的關(guān)系。

        在修程修制改革的工作要求下,延長(zhǎng)檢修周期成為車(chē)軸運(yùn)維的必然要求。而車(chē)軸表面擊打傷影響車(chē)軸疲勞性能,成為延長(zhǎng)檢修周期的制約因素。為預(yù)防由于FOD 引發(fā)的斷軸事故,維護(hù)鐵路運(yùn)輸安全,有必要加強(qiáng)對(duì)車(chē)軸FOD 問(wèn)題的深入研究,為動(dòng)車(chē)組車(chē)軸修程修制改革提供試驗(yàn)基礎(chǔ)和理論支撐。

        本文以小試樣壽命預(yù)測(cè)模型為基礎(chǔ),考慮尺寸效應(yīng),構(gòu)建含異物擊打傷實(shí)物車(chē)軸壽命預(yù)測(cè)模型。以缺陷尺寸和交變應(yīng)力為主要參量,對(duì)實(shí)物車(chē)軸進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)和臺(tái)架驗(yàn)證。

        1 試驗(yàn)設(shè)備、材料和方法

        1.1 小試樣疲勞試驗(yàn)

        試驗(yàn)用疲勞小試樣取自動(dòng)車(chē)組新造EA4T車(chē)軸軸身距表面10 mm處,光滑小試樣尺寸如圖1所示。采用升降法確定疲勞極限,按成組試驗(yàn)法在較高應(yīng)力水平下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備為四連式懸臂梁型旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)。

        圖1 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞小試樣(單位:mm)

        采用霍普金森壓桿(SHPB)試驗(yàn)方法模擬車(chē)軸表面異物擊打傷,試驗(yàn)裝置如圖2所示。試驗(yàn)時(shí),采用正方體狀鎢鋼彈丸高速?zèng)_擊旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞小試樣長(zhǎng)度方向的中部位置,沖擊速度為100 m·s-1。鎢鋼彈丸與車(chē)軸鋼試樣的接觸方式較為隨機(jī),有面接觸、棱邊接觸以及角接觸3種方式,如圖3所示??紤]較不利情況,選取棱接觸或角接觸損傷試樣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能測(cè)試。

        圖2 霍普金森壓桿(SHPB)試驗(yàn)裝置

        圖3 模擬沖擊損傷時(shí)鎢鋼彈丸與車(chē)軸鋼試樣接觸方式

        1.2 實(shí)物車(chē)軸臺(tái)架試驗(yàn)

        試驗(yàn)用實(shí)務(wù)車(chē)軸為某CRH380BL型動(dòng)車(chē)組A4級(jí)修時(shí)表面含嚴(yán)重異物擊打傷車(chē)軸,如圖4所示,已運(yùn)行76.334 萬(wàn)km。將輪對(duì)退卸后的含擊打傷車(chē)軸按要求加工疲勞試樣,壓裝工裝輪后組成半輪對(duì),在全尺寸疲勞試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行疲勞試驗(yàn),如圖5所示。該設(shè)備的原理是使測(cè)試試樣的振動(dòng)頻率盡可能接近共振頻率,通過(guò)一定的振幅在試樣的測(cè)試截面上獲得目標(biāo)應(yīng)力水平。

        圖4 含異物擊打傷車(chē)軸

        由于動(dòng)車(chē)組車(chē)軸強(qiáng)度校核中,動(dòng)力車(chē)軸空氣制動(dòng)最大截面應(yīng)力118.8 MPa,動(dòng)力車(chē)軸正常行駛過(guò)程中載荷均小于70 MPa。因此,臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)選用最苛刻的118.8 MPa 恒定載荷施加于考核缺陷處。采用Shapescan3D GFM 現(xiàn)場(chǎng)型光學(xué)三維劃痕缺陷測(cè)量?jī)x對(duì)缺陷位置、深度、面積、體積以及缺陷底部尖銳程度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

        圖5 輪軸全尺寸疲勞試驗(yàn)臺(tái)

        采用測(cè)量設(shè)備得到含異物擊打傷車(chē)軸的典型形貌及其橫截面尺寸如圖6所示。測(cè)量結(jié)果表明,擊打傷深度一般不超過(guò)2 mm。

        圖6 含異物擊打傷車(chē)軸典型形貌和橫截面尺寸

        1.3 基于FIP的疲勞壽命預(yù)測(cè)

        對(duì)于含異物擊打傷車(chē)軸,引入缺陷臨近區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度(應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度與缺陷尺寸、遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力、車(chē)軸的形狀尺寸等相關(guān))、滑移系上的循環(huán)變形等參數(shù)構(gòu)建FIP,F(xiàn)IP的表達(dá)式[16]為

        其中,

        式中:FIP為FIP值;μ為施密德(Schmid)因子;Δσ為循環(huán)應(yīng)力幅值;E為彈性模量;k為與材料缺陷敏感性相關(guān)的常數(shù),取值在0.5~1.0 之間;ΔKth為代表?yè)p傷起始的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值;ΔK為缺陷附近的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子;Y為形狀因子;a為裂紋深度。

        對(duì)含缺陷疲勞小試樣的疲勞性能進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,得到FIP與疲勞壽命之間的關(guān)系為

        式中:Nf為疲勞壽命;α和β為擬合參數(shù)。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 含缺陷小試樣的疲勞壽命預(yù)測(cè)

        根據(jù)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù),得到小試樣S-N曲線如圖7所示。由圖7可知,光滑小試樣疲勞極限為352 MPa,含缺陷小試樣疲勞極限為240 MPa。

        圖7 小試樣S-N曲線

        基于FIP 損傷參量的理念,對(duì)小試樣疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。對(duì)于EA4T車(chē)軸材料,Schmid因子μ取

        0.49[17],E取210 GPa,ΔKth取10 MPak取1。由式(1)可知,F(xiàn)IP 取決于外加循環(huán)應(yīng)力Δσ、缺陷深度a和與試樣尺寸相關(guān)的形狀因子Y。

        FIP值與疲勞壽命Nf的關(guān)系如圖8(a)所示,擬合得到含缺陷EA4T車(chē)軸材料疲勞小試樣壽命預(yù)測(cè)模型如式(3)所示,疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)如圖8(b)所示。

        圖8 含擊打傷EA4T車(chē)軸材料疲勞小試樣壽命預(yù)測(cè)

        由圖8(b)可知,疲勞壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)均在預(yù)測(cè)值的2倍線內(nèi),說(shuō)明預(yù)測(cè)模型具有很高的精度,基于FIP的壽命預(yù)測(cè)模型適用于車(chē)軸疲勞壽命的預(yù)測(cè)。

        2.2 缺陷處殘余應(yīng)力

        依據(jù)車(chē)軸疲勞小試樣和正方體鎢鋼彈丸尺寸,采用Abaqus 軟件構(gòu)建有限元模型。為保證沖擊仿真的精度,在疲勞小試樣中部與鎢鋼彈丸接觸位置進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。為獲取沖擊后損傷附近區(qū)域的殘余應(yīng)力,在疲勞小試樣的2端施加無(wú)反射邊界條件,以縮短數(shù)值計(jì)算時(shí)疲勞小試樣內(nèi)部應(yīng)力趨于穩(wěn)定的時(shí)間。疲勞小試樣和鎢鋼彈丸的有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖9所示。

        不同鎢鋼彈丸與疲勞小試樣接觸方式下沖擊損傷附近區(qū)域的殘余應(yīng)力云圖如圖10和圖11所示。

        從圖10可知:在各個(gè)接觸方式下沖擊損傷附近區(qū)域的殘余應(yīng)力分布特點(diǎn)基本相似,均為沖擊損傷上下2側(cè)存在局部的拉伸殘余應(yīng)力,而左右2側(cè)存在一定程度的壓縮殘余應(yīng)力。

        圖9 疲勞小試樣和鎢鋼彈有限元模型

        從圖11可知:在沖擊損傷底部存在一定范圍的壓縮殘余應(yīng)力,并且在其所在區(qū)域的下方,還存在一定程度的拉伸殘余應(yīng)力,這種分布特點(diǎn)基本在各個(gè)接觸方式中均有體現(xiàn)。

        不同接觸方式下疲勞小試樣表面沖擊損傷形貌如圖12所示。從圖12可知表面沖擊損傷在小試樣表面的具體分布和整體形態(tài)。

        圖10 不同接觸方式下沖擊損傷正視圖(軸向)

        圖11 不同接觸方式下沖擊損傷剖面圖(軸向)

        圖12 不同接觸方式下沖擊損傷形貌圖(軸向)

        從殘余應(yīng)力的數(shù)值上對(duì)比看出,面接觸沖擊形成的拉伸殘余應(yīng)力水平最高,殘余應(yīng)力的數(shù)值分布較為明顯;而角接觸的沖擊損傷雖然很大,卻沒(méi)有較為明顯的殘余應(yīng)力分層。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是沖擊過(guò)程中材料的損失導(dǎo)致一部分沖擊能量釋放。因此,對(duì)于面接觸來(lái)說(shuō),大部分的沖擊能量轉(zhuǎn)化為材料的應(yīng)變能,所以存在著較高水平的殘余應(yīng)力。

        為驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性,對(duì)仿真得到的沖擊損傷尺寸與實(shí)際的沖擊損傷尺寸范圍進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)表1。表中:在實(shí)測(cè)情況下面接觸可視為棱邊接觸(平行)的特殊情況,因此二者統(tǒng)一比較。

        表1 沖擊損傷尺寸的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)對(duì)比 mm

        從表1可知:數(shù)值模擬的沖擊損傷尺寸與實(shí)際的大小基本相同,多組模擬損傷的尺寸數(shù)據(jù)均在實(shí)際測(cè)量的尺寸范圍內(nèi);模擬的損傷深度較高于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),推測(cè)其主要原因是J-C模型中斷裂塑性應(yīng)變的選擇較為單一,使得仿真過(guò)程中模擬的單元失效無(wú)法完全反映實(shí)際材料的失效狀況,從而導(dǎo)致模擬損傷與實(shí)際損傷的尺寸存在一定的差異。

        2.3 含擊打傷車(chē)軸疲勞壽命預(yù)測(cè)

        采用基于FIP的方法,預(yù)測(cè)含擊打傷車(chē)軸的疲勞壽命。在交變應(yīng)力幅值和裂紋深度相同的情況下,實(shí)物車(chē)軸與材料級(jí)別的小試樣相比,除應(yīng)力強(qiáng)度因子表達(dá)式中的形狀因子Y不同外,其他參量均相同。為構(gòu)建小試樣與實(shí)物車(chē)軸間缺陷形狀因子的定量關(guān)系,在交變應(yīng)力幅值和裂紋深度相同條件下,以缺陷小試樣FIP壽命預(yù)測(cè)模型為基礎(chǔ),建立含擊打車(chē)軸FIP壽命預(yù)測(cè)模型。

        1)車(chē)軸尺寸的影響

        車(chē)軸為典型的圓柱形結(jié)構(gòu),疲勞失效的主要載荷類(lèi)型為旋轉(zhuǎn)彎曲載荷,疲勞裂紋的形式為橢圓形表面裂紋。

        車(chē)軸形狀因子Y表示為

        其中,

        式中:a0為車(chē)軸表面橢圓裂紋短半軸;b0為車(chē)軸表面橢圓裂紋長(zhǎng)半軸;D為動(dòng)車(chē)組車(chē)軸軸身直徑。

        則車(chē)軸裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子為

        將式(7)代入式(1),可得考慮不同尺寸的FIP值為

        式(8)體現(xiàn)了車(chē)軸直徑、缺陷尺寸、交變應(yīng)力與FIP值的關(guān)系。

        2)缺陷尖端曲率半徑的影響

        裂紋尖端的彈性應(yīng)力與裂紋深度a和裂紋尖端的曲率半徑ρ相關(guān),當(dāng)a≤ρ時(shí),裂紋尖端的彈性應(yīng)力ΔσTip為

        在裂紋深度相同的情況下,車(chē)軸表面沖擊損傷附近區(qū)域的彈性應(yīng)力取決缺陷底部的曲率半徑。測(cè)量含擊打傷車(chē)軸沖擊損傷底部的曲率半徑如圖13所示,試驗(yàn)得到損傷缺陷底部的曲率半徑均值為0.50 mm。

        圖13 3個(gè)典型缺陷底部的形狀

        對(duì)于車(chē)軸材料為EA4T的疲勞裂紋,裂紋尖端的曲率半徑小于0.05 mm,基于保守考慮,裂紋尖端的曲率半徑取值0.05 mm。

        在深度和遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力相同的情況下,缺陷尖端的應(yīng)力幅值Δσd與裂紋尖端的應(yīng)力幅值Δσc的關(guān)系為

        式中:ρc和ρd分別為裂紋和缺陷尖端曲率半徑。

        則對(duì)于含沖擊打傷車(chē)軸,沖擊損傷附近區(qū)域的FIP值為代入?yún)?shù)數(shù)值,車(chē)軸直徑以273 mm計(jì)算,得

        將式(12)代入式(3)可得

        以深度作為缺陷的主要參量,分別取0.2,0.5,1.0,2.0,3.0 和5.0,應(yīng)力分別取30.0,40.0,50.0,60.0,70.0,87.0,118.8 和145.0 MPa,根據(jù)式(13)分別計(jì)算車(chē)軸的疲勞壽命,預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2所示。以復(fù)興號(hào)車(chē)輪直徑920 mm為例,預(yù)測(cè)行駛里程見(jiàn)表3。以缺陷尺寸和交變應(yīng)力為自變量,疲勞壽命和行駛里程為應(yīng)變量的結(jié)果如圖14和圖15所示。

        表2 含擊打傷車(chē)軸在不同缺陷深度下疲勞壽命

        表3 含擊打傷車(chē)軸在不同缺陷深度下行駛里程

        圖14 含擊打傷車(chē)軸在不同應(yīng)力水平下疲勞壽命

        圖15 含擊打傷車(chē)軸在不同應(yīng)力水平下行駛里程

        2.4 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

        對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)用實(shí)物車(chē)軸表面擊打傷進(jìn)行表征,得到最嚴(yán)重缺陷參數(shù)如下:距離下端輪座距離190 mm,深度997 μm,缺陷面積18.45 mm2,缺陷體積4.93 mm3,缺陷底部夾角94.05°,在此缺陷其附近粘貼裂紋監(jiān)測(cè)應(yīng)變片作為臺(tái)架試驗(yàn)考核位置。

        將118.8 MPa恒定載荷施加于上述缺陷處,循環(huán)比R=-1,擴(kuò)展一定循環(huán)周次(108次)后,對(duì)車(chē)軸進(jìn)行磁粉探傷,未發(fā)現(xiàn)表面裂紋。該試驗(yàn)已屬超高周疲勞范疇。

        如果把該缺陷規(guī)整為深度1.0 mm 缺陷,在最苛刻受力條件下,通過(guò)壽命預(yù)測(cè)模型,循環(huán)周次可達(dá)5.56×108次,以復(fù)興號(hào)為例可行駛160.68 萬(wàn)km,超過(guò)CRH1型、CRH3型和CR400AF/BF 動(dòng)車(chē)組車(chē)軸三級(jí)檢修周期(120±12)萬(wàn)km 或3 a的檢修要求。因此,運(yùn)用檢修中對(duì)于深度小于1.0 mm的擊打傷類(lèi)缺陷可不做打磨或其他處理。

        3 結(jié) 論

        (1)基于FIP的壽命預(yù)測(cè)模型,獲得含異物沖擊損傷EA4T 車(chē)軸鋼小試樣疲勞壽命預(yù)測(cè)模型為疲勞壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)均在預(yù)測(cè)值的2倍線內(nèi)或2倍線臨近位置,預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。

        (2)考慮車(chē)軸尺寸和缺陷尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子,以含缺陷小試樣FIP疲勞壽命預(yù)測(cè)模型為基礎(chǔ),建立含缺陷實(shí)物車(chē)軸FIP 疲勞壽命預(yù)測(cè)模型為Nf=1.51× 1015{Δσ[1+(-7.25× 10-8a3+ 3.43×揭示了應(yīng)力水平、裂紋深度與車(chē)軸疲勞壽命的關(guān)系。

        (3)缺陷車(chē)軸臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果符合含缺陷實(shí)物車(chē)軸FIP預(yù)測(cè)模型,預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。動(dòng)力車(chē)軸在極端苛刻載荷條件下,深度1.0 mm 擊打傷車(chē)軸安全服役超過(guò)三級(jí)修檢修周期。運(yùn)用檢修中深度小于1.0 mm的擊打傷類(lèi)缺陷可不做打磨或其他處理。

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